DEVELOPMENT OF MEASUREMENT AND VISUALIZATION TECHNIQUES FOR CHARACTERIZATION OF MIXING AND COMBUSTION PROCESSES WITH SURROGATE FUELS

Abstract

[EN] The development and optimization of new combustion modes is nowadays an important research field, to reduce the pollutant emissions of the reciprocating internal combustion engines. Their development requires the use of a wide variety of experimental and theoretical tools, which make it possible to know and understand their fundamentals. In this context the main objective of this Thesis is framed: the development and optimization of measuring and visualization techniques, to reach the level of accuracy and detail required for current and future studies of that kind. The work has been based on the characterization of the diesel diffusion combustion to be able to focus the study on the methodological part, thanks to the extensive knowledge available on this combustion mode. The work has been divided in two main blocks. The first one is focused on the characterization of evaporation and air-fuel mixture formation processes. For this purpose, a new technique has been developed and applied, based on the light absorption by the fuel molecules (UV-VIS LAS), which allows measuring the vapour fuel local concentration within a diesel spray. It has been optimized to be applied under operating conditions similar to those found in a compression ignition engine with fuels whose optical properties are not optimal, but which are interesting for research due to its simplicity. Moreover, a new methodology has been developed for measuring the absorption coefficient of the fuels, under similar operating conditions (i.e. pressure and temperature) than those found within the combustion chamber of a compression ignition engine. Results have been analysed in detail, to be able to define the limitations and reliability of the methodology proposed. The second block corresponds to the characterization of the combustion process and the soot formation. For this purpose, a complex optical set-up has been developed which made it possible to simultaneously apply the three most used techniques that can be found in literature for soot measuring within a diesel flame: Laser Extinction Method, 2-Colour Pyrometry and Laser-Induced Incandescence. Results obtained by means of the three techniques have been compared in detail, not only to identify the main advantages and drawbacks of each technique, but also their reliability under different operating conditions.

[ES] El desarrollo y optimización de nuevos modos de combustión constituye actualmente un campo importante de investigación, para reducir la emisión de contaminantes en motores de combustión interna alternativos. Su desarrollo requiere del uso de gran variedad de herramientas experimentales y teóricas, que permitan conocer y comprender sus fundamentos. En este contexto se enmarca el objetivo principal de esta Tesis: la mejora y el desarrollo de técnicas de visualización y medida, para alcanzar el nivel de detalle y la precisión requeridos para estudios actuales y futuros de esta índole. El trabajo se ha basado en la caracterización de la combustión diésel por difusión para poder centrar el estudio en la parte metodológica, gracias al amplio conocimiento disponible sobre este modo de combustión. El trabajo se ha dividido en dos apartados principales. El primero de ellos se centra en la caracterización de los procesos de evaporación y formación de la mezcla aire-combustible. Para ello, se he desarrollado y puesto en práctica una técnica basada en la absorción de luz por parte de las moléculas de combustible (UV-VIS LAS), que permite medir la concentración local de combustible evaporado en el seno de un chorro diésel. Esta ha sido optimizada para ser aplicada en condiciones de operación semejantes a las de un motor de encendido por compresión con combustibles cuyas propiedades ópticas no son óptimas, pero que son de gran interés para investigación dada su simplicidad. Además, se ha desarrollado una metodología para la medida del coeficiente de absorción de los combustibles, bajo las mismas condiciones de operación (presión y temperatura) que las que se dan en la cámara de combustión de un motor de encendido por compresión. Los resultados obtenidos se han analizado con detalle, para poder definir los límites y la fiabilidad de la metodología propuesta. El segundo apartado corresponde a la caracterización del proceso de combustión y la formación de hollín. Para ello, se ha desarrollado un montaje óptico complejo que ha permitido aplicar de forma simultánea las tres técnicas más utilizadas en la literatura para la medida del hollín en una llama diésel: Método de Extinción Láser, Pirometría 2-Colores e Incandescencia Inducida por Láser. Los resultados obtenidos mediante las tres técnicas han sido comparados detalladamente, no sólo para identificar las principales ventajas e inconvenientes de cada técnica, sino también la fiabilidad de las mismas para distintas condiciones de operación.

[CA] El desenvolupament y optimització de nous modes de combustió constitueixen actualment un camp important d'investigació, para reduir la emissió de contaminants en motors de combustió internat alternatius. El seu desenvolupament requereix del us de gran varietat de ferramentes experimentals i teòriques, que permeten conèixer i comprendre els seus fonaments. En este context s'emmarca l'objectiu principal d'esta tesi: la millora i el desenvolupament de tècniques de visualització i mesura, per a conseguir el nivell de detall i la precisió requerits per a estudis actuals i futurs d'esta índole. El treball s'ha basat en la caracterització de la combustió dièsel per difusió per a poder centrar l'estudi en la part metodològica, gràcies a l'ampli coneixement disponible sobre este mode de combustió. El treball s'ha dividit en dos apartats principals. El primer d'ells se centra en la caracterització dels processos d'evaporació i formació de la mescla aire-combustible. Per això, s'ha desenvolupat i posat en pràctica una tècnica basada en la absorció de llum per part de les molècules de combustible (UV-VIS LAS), que permet mesurar la concentració local de combustible evaporat en el si d'un esprai dièsel. Esta ha sigut optimitzada per a ser aplicada en condicions d'operació semblants a les d'un motor d'encesa per compressió i combustibles amb propietats òptiques que no son les òptimes, però els quals són de gran interés en investigació donada la seua simplicitat. A més, s'ha desenvolupat una metodologia per a la mesura del coeficient d'absorció dels combustibles, a les mateixes condicions d'operació (pressió i temperatura) que les que es donen en la cambra de combustió d'un motor d'encesa per compressió. Els resultats obtinguts s'han analitzat amb detall, per a poder definir els límits i la fiabilitat de la metodologia proposada. El segon apartat correspon a la caracterització del procés de combustió i la formació de sutja. Per a això, s'ha desenvolupat un muntatge òptic complex que permés aplicar de forma simultània les tres tècniques més utilitzades en la literatura per a la mesura de la sutja en una flama dièsel: Mètode d'Extinció Làser, Pirometria 2-Colors i Incandescència Induïda per Làser. Els resultats obtinguts per mitjà de les tres tècniques han sigut comparats detalladament, no sols per a identificar els principals avantatges i inconvenients de cada tècnica, sinó també la fiabilitat d'aquestes per a distintes condicions d'operació.